JP4663156B2 - Compound semiconductor device - Google Patents

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JP4663156B2 JP2001164908A JP2001164908A JP4663156B2 JP 4663156 B2 JP4663156 B2 JP 4663156B2 JP 2001164908 A JP2001164908 A JP 2001164908A JP 2001164908 A JP2001164908 A JP 2001164908A JP 4663156 B2 JP4663156 B2 JP 4663156B2
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Description

【0001】
本発明は化合物半導体装置に関するものであり、特に、キャリア走行層としてナイトライド系III-V族化合物半導体を用いたHEMT(高電子移動度トランジスタ)タイプの化合物半導体装置における特性安定化のための保護膜構造に特徴のある化合物半導体装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、サファイア、SiC、GaN、もしくは、Si等を基板に使用して、AlGaN/GaNを結晶成長しGaNを電子走行層とする電子デバイスの開発が活発である。
【0003】
この様な電子デバイスの電子走行層として用いられるGaNは、電子移動度がGaAsに比べて小さいものの、バンドギャップが3.4eVとGaAsの1.4eVに比べて大きいため、GaAs系電子デバイスでは不可能な高耐圧での動作が期待されている。
【0004】
例えば、現在携帯電話の基地局用アンプでは50Vの高電圧動作が求められており、高耐圧性能が必須となっているが、現状のGaAs系電子デバイスでは12Vでの駆動が限界であるため、50Vの電圧を降下して使用しているのが現状であり、そのために効率が低下したり、或いは、歪みが発生するという問題がある。
【0005】
ここで、図7を参照して、従来のGaN系HEMTを説明する。
図7(a)参照
まず、C面を主面とするサファイア基板41上に、通常のMOCVD法(有機金属気相成長法)を用いて、厚さが3μmのi型GaN電子走行層42、厚さが3nmのi型Al0.25Ga0.75N層43、厚さが25nmで、Siドーピング濃度が2×1018cm-3のn型Al0.25Ga0.75N電子供給層44、及び、厚さが5nmのi型Al0.25Ga0.75N保護層45を順次堆積させる。
【0006】
次いで、全面に、CVD法を用いて厚さが20nmのSiN膜46を堆積したのち、ゲート形成領域に開口部を設けてNi/Auからなるゲート電極47を形成するとともに、ソース・ドレインコンタクト領域に開口部を設けてTi/Auからなるソース電極48及びドレイン電極49を形成することによって、GaN系HEMTの基本構造が完成する。
【0007】
図7(b)参照
図7()は、上述のGaN系のバンドダイヤグラムであり、GaNやAlGaN等のGaN系半導体においてはc軸方向に分極しており、i型GaN電子走行層42/i型Al0.25Ga0.75N層43の界面のi型Al0.25Ga0.75N層43側に格子不整合に起因するピエゾ効果によって、例えば、1×1013cm−2の正の分極電荷が現れるため、i型GaN電子走行層42のi型GaN電子走行層42/i型Al0.25Ga0.75N層43の界面の近傍に約1×1013cm−2の電子が誘起され、二次元電子ガス層50を構成する。
【0008】
この様なi型GaN電子走行層42における二次元電子ガス層50の電子移動度は1000〜1500程度であるが、二次元電子ガスの濃度が約1×1013cm-2とGaAs系の二次元電子ガスの濃度に比べて1桁以上大きいので、GaAs系HEMTと同程度の電流駆動特性を得ることができるとともに、禁制帯幅が広いので高耐圧特性が得られる。
因に、現在、電流オフ時の耐圧として200Vを越える値が報告されている。
【0009】
また、i型Al0.25Ga0.75N保護層45を設けることによって、ゲート電極へのトンネル電流を低減し、少しでも耐圧を向上させることができる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のGaN系HEMTにおいては、電流オンの時の耐圧が20Vそこそこであり、高電圧動作ができないという課題が浮上しているが、これはGaN系デバイスの基本的特性から見て、従来のGaAs系のFETとは異なり、イオン化衝突ではなく表面の問題で起きていると考えられる。
【0011】
即ち、GaN系半導体は禁制帯幅が広いので、イオン化衝突によるオン時のブレークダウンが本質的に発生しにくいものであり、且つ、実際に測定したI−V特性の振る舞いからみてもイオン化衝突ではないと考えられる。
【0012】
また、この様なGaN系HEMTにおいては、高ゲート電圧動作下においてI−V特性に大きなヒステリシスが見られ、高周波領域における相互コンダクタンスgm が低下し電流駆動ができなくなるという課題があるので、この様子を図8を参照して説明する。
【0013】
図8(a)参照
図8(a)は、上述の構造のGaN系HEMTにおいて、ゲート幅Wg をWg =40μmにするとともにSiN膜を除去した場合のI−V特性図であり、高ゲート電圧動作下においてI−V特性に大きなヒステリシスが見られる。
【0014】
図8(b)参照
図8(b)は、図7(a)に示したGaN系HEMTにおいて、ゲート幅Wg をWg =40μmにした場合のI−V特性図であり、高ゲート電圧動作下においてI−V特性に大きなヒステリシスが見られ、ヒステリシスに関してはSiN膜を設けても格別の改善は得られないことが理解される。
【0015】
これは、i型Al0.25Ga0.75N保護層45の表面側に現れる負のピエゾ電荷がI−V特性に影響を与えるためと考えられ、SiN膜を設けることによって、負のピエゾ電荷が表面側から内部に追いやられることによって多少特性は改善されるが、依然として問題になる。
なお、表面保護膜として、SiN膜の代わりにSiO2 膜を設けても事情は同じである。
【0016】
したがって、本発明は、GaN系化合物半導体装置のオン耐圧を高めるとともに、I−V特性を改善することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
図1は本発明の原理的構成の説明図であり、この図1を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図1参照
上述の目的を達成するために、本発明においては、GaNのキャリア走行層2と、前記キャリア走行層2上に形成されたAlGa1−xN(0<x≦1)のキャリア供給層3と、前記キャリア供給層3上に形成された走行キャリアと同導電の第一導電型のGaNのGaN系保護層4と、前記GaN系保護層4上に形成されたゲート電極6及びソース・ドレイン電極7とを備えたことを特徴とする。
【0018】
この様に、キャリア供給層3上にGaN系保護層4を配置することによって、ピエゾ電荷によってバンドを持ち上げてトンネル電流を低減しショットキー特性を向上することができ、且つ、GaN系保護層4を走行キャリアと同導電にすることによって、ピエゾ電荷によって持ち上げられすぎた界面ポテンシャルを持ち下げて導通性能を改善するともに、界面近傍に誘起されるホールを相殺してスクリーニングすることができ、さらに、Alに起因する表面トラップの影響を排除することができ、それによって、安定なI−V特性を得ることができる。
なお、この場合のスクリーニングの定義とはGaN系保護層4を使わない場合のAlGaN/ GaN−FET構造の場合の最大電流密度を100とした場合に、GaN系保護層4を使用しても80以上の最大電流密度を出せるようにする意味である。
【0019】
特に、SiN膜5を設けることによって、界面近傍に誘起されるホールをさらに内部に追いやることができ、それによって、ヒステリシス特性が発生することを防止することができるとともに、ピエゾ電荷によって持ち上げられた界面ポテンシャルを持ち下げることができ、それによって、フェルミ準位を相対的に挙げるので、電流密度を大きくすることができる。
また、GaN系保護層4を走行キャリアと同導電型とすることによって、ソース・ドレイン電極7のオーミック性を高めることができる。
【0020】
なお、この場合の基板1としては、サファイア基板、GaN基板、或いは、SiC基板のいずれでも良い。
【0021】
この場合、キャリア走行層2、或いは、GaN系保護層4の少なくとも一つに、Inを添加しても良いものであり、Inの添加によって禁制帯幅が小さくなるがキャリアの移動度が高まる。
【0022】
また、GaN系保護層4の層厚は、10nm以下にすることが望ましく、それによってGaN系保護層4を流れるリーク電流の発生やショットキー電極の耐圧を高めることができる。
【0023】
また、GaN系保護層4のドーピング濃度が、1×1017cm-2以上であることが望ましく、それによって、界面近傍に誘起されるホールを相殺してスクリーニングすることができる。
【0024】
この場合、シート濃度としてスクリーニンするためには、キャリア供給層3との界面に発生するピエゾ電荷の20〜80%のシート濃度であれば良く、シート濃度が低すぎればスクリーニング効果が得られず、一方、シート濃度が高すぎると、逆方向耐圧BVgdが低下して、所期の高耐圧特性が得られなくなる。
【0025】
この様なシート濃度を得るためには、キャリア供給層3との界面側に、導電型決定不純物を原子層ドーピングすれば良く、n型の場合にはSi,S,Seのいずれか1つを用いれば良い。
【0026】
また、GaN系保護層4を走行キャリアと同導電型の層とアンドープ層との二層構造で構成しても良く、それによって、最表面をアンドープ層にすることができるので、I−V特性をより安定化することができる。
【0028】
【発明の実施の形態】
ここで、図2及び図3を参照して、本発明の第1の実施の形態のGaN系HEMTを説明する。
図2(a)参照
まず、C面を主面とするサファイア基板11上に、通常のMOCVD法を用いて、厚さが、例えば、3μmのi型GaN電子走行層12、厚さが、例えば、2nmのi型Al0.25Ga0.75N層13、厚さが、例えば、25nmで、Siドーピング濃度が、例えば、2×1018cm-3のn型Al0.25Ga0.75N電子供給層14、及び、厚さが10nm以下、例えば、5nmで、Siドーピング濃度が、例えば、2×1018cm-3のn型GaN保護層15を順次堆積させる。
【0029】
次いで、全面に、CVD法を用いて厚さが20nmのSiN膜16を堆積したのち、ゲート形成領域に開口部を設けてNi/Auからなるゲート電極17を形成するとともに、ソース・ドレインコンタクト領域に開口部を設けてTi/Auからなるソース電極18及びドレイン電極19を形成することによって、GaN系HEMTの基本構造が完成する。
なお、この場合、n型GaN保護層15の膜厚が10nmを越えるとリーク電流が発生し、ショットキー電極であるゲート電極17に耐圧がなくなる。
また、図においては、単体のHEMTとして説明しているが、集積化する場合には、イオン注入或いはメサエッチングによって素子分離を行えば良い。
【0030】
図2(b)参照
図2(b)は、上述のGaN系HEMTのバンドダイヤグラムであり、GaNやAlGaN等のGaN系半導体においてはc軸方向に分極しており、i型GaN電子走行層12/i型Al0.25Ga0.75N層13の界面のi型Al0.25Ga0.75N層13側に格子不整合に起因するピエゾ効果によって、例えば、1×1013cm-2の正の分極電荷が現れるため、i型GaN電子走行層12のi型Al0.25Ga0.75N層13との界面の近傍に約1×1013cm-2の電子が誘起され、二次元電子ガス層20を構成する。
【0031】
図3(a)参照
図3(a)は、ゲート幅Wg をWg =40μmにした場合のI−V特性図であり、従来のGaN系HEMTにおけるi型Al0.25Ga0.75N保護層をn型GaN保護層に置き換えた結果、良好な特性が得られたことが確認された。
【0032】
これは、図2(b)に示すように、保護層としてn型GaN層を用いた結果、
▲1▼n型層の電子により、n型GaN保護層15とn型Al0.25Ga0.75N電子供給層14との界面に誘起されるホール21をスクリーニングして、このホール21がデバイス特性に影響を与えないようにしたため、
▲2▼ソース電極18及びドレイン電極19のオーミック性が向上するため、
▲3▼表面がGaN層になるので、Alに起因する表面トラップの影響が解消されるため、
▲4▼表面がGaN層になるので、AlGaNに比べてエッチング耐性が高まるので、加工ダメージが表面に導入されにくくなるため、
と考えられる。
【0033】
また、n型Al0.25Ga0.75N電子供給層14の伝導帯のバンド端が持ち上がることによって、フェルミ準位が相対的に下がることになり、それによって二次元電子ガスの濃度が低下して通電が低下するが、その代わり、相互コンダクタンスgm の高周波領域における低下を防止するという効果も得られる。
【0034】
図3(b)参照
図3(b)は、本発明の第1の実施の形態において、SiN膜16を設けない場合のI−V特性図を参考として示したものであり、Vgdを4段階に分けて印加した場合の特性曲線を合わせて表示している。
図から明らかなように、本来重なるはずの同じゲート電圧における特性曲線が、ゲート電圧が大きくなるほどずれており、安定したI−V特性が得られていないことが理解される。
【0035】
図4(a)参照
図4(a)は、本発明の第1の実施の形態におけるn型GaN保護層15のドーピング濃度を1019cm-3に高めた場合の逆方向耐圧BVgdの特性図であり、逆方向耐圧BVgdが1V以下に低下していることが確認された。
なお、この場合は、ゲート−ドレイン間のショットキーバリアダイオード特性として見ている。
【0036】
図4(b)参照
図4(b)は、n型GaN保護層のドーピング濃度を1019cm-3にした場合のバンドダイヤグラムであり、5×1018cm-3の場合に比べて、n型GaN保護層15とn型Al0.25Ga0.75N電子供給層14との界面ポテンシャルが持ち下げられ、ショットキー特性が低下したためと考えられる。
【0037】
したがって、高耐圧を得るためには、ピエゾ電界に起因して界面に発生するホールを完全にスクリーニングしただけではだめであり、ピエゾ電荷の20〜80%を補償するようにn型GaN保護層15のドーピング量を設定する必要があり、それによって、50Vの順方向耐圧と200Vの逆方向耐圧を実現することができる。
【0038】
次に、図5を参照して、本発明の第2の実施の形態のGaN系HEMTを説明する。
図5参照
図5は、本発明の第2の実施の形態のGaN系HEMTの概略的断面図であり、n型GaN保護層15の上に厚さが、例えば、5nmのi型GaN保護層31を設けた以外は、上記の第1の実施の形態と全く同様である。
【0039】
この様に、本発明の第2の実施の形態においては、デバイスの動作特性に影響を与える導電領域を最表面から遠ざけているので、表面状態に起因する悪影響をより低減することができ、それによって、耐圧をより高めることが可能になる。
【0040】
次に、図6を参照して、本発明の第3の実施の形態のGaN系HEMTを説明する。
図6参照
図6は、本発明の第3の実施の形態のGaN系HEMTの概略的断面図であり、まず、C面を主面とするサファイア基板11上に、通常のMOCVD法を用いて、厚さが、例えば、3μmのi型GaN電子走行層12、厚さが、例えば、2nmのi型Al0.25Ga0.75N層13、厚さが、例えば、25nmで、Siドーピング濃度が、例えば、2×1018cm-3のn型Al0.25Ga0.75N電子供給層14、厚さが、例えば、2nmで、Siドーピング濃度が、例えば、1×1019cm-3のn型AlN層32、及び、厚さが10nm以下、例えば、5nmで、Siドーピング濃度が、例えば、2×1018cm-3のn型GaN保護層15を順次堆積させる。
【0041】
次いで、ゲート形成領域のn型GaN保護層15を等方性エッチングしたのち、n型AlN層32を選択的にエッチングして、ゲートリセス部を形成し、次いで、全面に、CVD法を用いて厚さが20nmのSiN膜16を堆積したのち、ゲート形成領域に開口部を設けてNi/Auからなるゲート電極17を形成するとともに、ソース・ドレインコンタクト領域に開口部を設けてTi/Auからなるソース電極18及びドレイン電極19を形成することによって、GaN系HEMTの基本構造が完成する。
この場合、n型AlN層32はゲートリセス部を形成する際の選択エッチング除去層として機能する。
【0042】
この本発明の第3の実施の形態においては、ゲートリセス構造を採用しているので、n型GaN保護層15を介したリーク電流が発生することがなく、それによって、耐圧をさらに高めることが可能になる。
【0043】
以上、本発明の各実施の形態を説明してきたが、本発明は各実施の形態に記載された構成・条件に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、保護層として均一にドープしたn型GaN層を用いているが、Si,Se,S等のn型不純物をプレーナードープ(原子層ドーピング)しても良いものであり、例えば、界面前後5nmのシートドーピング濃度を3.5×1012cm-2程度とすれば良い。
【0045】
また、上記の第3の実施の形態においては、エッチングストッパ層としてAlN層を用いているが、AlN層に限られるものではなく、電子供給層となるAlx Ga1-x N層よりAl組成比zが大きな、z>xのAlz Ga1-z N層を用いても良いものである。
【0046】
また、上記の各実施の形態においては、電子供給層をAl0.25Ga0.75N層で構成しているが、この場合のAl組成比xはx=0.25に限られるものではなく、x=0.10〜0.40の範囲を用いることが望ましい。
【0047】
また、上記の各実施の形態においては、電子供給層をn型AlGaN層で構成しているが、必ずしもドーピング層である必要はなく、GaN系HEMTにおいては結晶構造に起因する分極によって発生するピエゾ電荷によって二次元電子ガスを誘起しているのでアンドープ層を用いても良いものである。
【0048】
また、上記の各実施の形態においては、電子走行層をGaN層で、電子供給層をAlGaN層で、保護層をGaN層で構成しているが、この様な構成に限られるものではなく、電子走行層、電子供給層、或いは、保護層の少なくとも一層にInを添加しても良いものである。
【0049】
例えば、電子走行層にInを添加してInGaNにした場合には、電子の移動度が高くなり、また、保護層にInを添加してInGaNにした場合には、禁制帯幅は小さくなるので、保護層/電子供給層の界面ポテンシャルをGaN層の場合に比べて持ち下げることができる。
【0050】
また、上記の各実施の形態においては、基板としてサファイアを用いているが、サファイアに限られるものではなく、SiC基板或いはGaN基板を用いても良いものであり、特に、SiCはサファイアに比べて熱伝導性に優れるので、高電圧動作を伴う携帯電話の基地局用アンプに適するものである。
【0051】
また、上記の各実施の形態においては、nチャネル型HEMTとして説明しているが、pチャネル型HEMTにも適用されることはいうまでもないことであり、その場合には各層における導電型を反転させれば良い。
【0053】
【発明の効果】
本発明によれば、AlGa1−xNキャリア供給層上に設ける保護層としてドープトGaNを用いるので、I−V特性を安定にすることができる
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理的構成の説明図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態のGaN系HEMTの説明図である。
【図3】本発明の第1の実施の形態のGaN系HEMTのI−V特性図である。
【図4】本発明の第1の実施の形態のGaN系HEMTの逆方向耐圧BVgdの説明図である。
【図5】本発明の第2の実施の形態のGaN系HEMTの概略的断面図である。
【図6】本発明の第3の実施の形態のGaN系HEMTの概略的断面図である。
【図7】従来のGaN系HEMTの説明図である。
【図8】従来のGaN系HEMTのI−V特性図である。
【符号の説明】
1 基板
2 キャリア走行層
3 キャリア供給層
4 GaN系保護層
5 SiN膜
6 ゲート電極
7 ソース・ドレイン電極
11 サファイア基板
12 i型GaN電子走行層
13 i型Al0.25Ga0.75N層
14 n型Al0.25Ga0.75N電子供給層
15 n型GaN保護層
16 SiN膜
17 ゲート電極
18 ソース電極
19 ドレイン電極
20 二次元電子層
21 ホール
31 i型GaN保護層
32 n型AlN層
41 サファイア基板
42 i型GaN電子走行層
43 i型Al0.25Ga0.75N層
44 n型Al0.25Ga0.75N電子供給層
45 i型Al0.25Ga0.75N保護層
46 SiN膜
47 ゲート電極
48 ソース電極
49 ドレイン電極
50 二次元電子層
[0001]
The present invention relates to reduction compound semiconductor device, in particular, for the characterization stabilization in HEMT (high electron mobility transistor) type compound semiconductor device using a nitride III-V compound semiconductor as the carrier transit layer relates Ah Ru of compound semiconductor device of the features of the protective film structure.
[0002]
[Prior art]
In recent years, there has been active development of electronic devices using sapphire, SiC, GaN, Si, or the like as a substrate, crystal growth of AlGaN / GaN, and GaN as an electron transit layer.
[0003]
Although GaN used as an electron transit layer of such an electronic device has a smaller electron mobility than GaAs, its band gap is larger than 3.4 eV and 1.4 eV of GaAs. It is expected to operate at a high withstand voltage.
[0004]
For example, a mobile phone base station amplifier is currently required to operate at a high voltage of 50 V, and a high withstand voltage performance is essential. However, current GaAs electronic devices are limited to drive at 12 V. The current situation is that the voltage of 50 V is used in a lowered state, and there is a problem that the efficiency is reduced or distortion occurs.
[0005]
Here, a conventional GaN-based HEMT will be described with reference to FIG.
First, referring to FIG. 7A, an i-type GaN electron transit layer 42 having a thickness of 3 μm is formed on a sapphire substrate 41 having a C-plane as a main surface by using a normal MOCVD method (metal organic chemical vapor deposition method). An i-type Al 0.25 Ga 0.75 N layer 43 having a thickness of 3 nm, an n-type Al 0.25 Ga 0.75 N electron supply layer 44 having a thickness of 25 nm and an Si doping concentration of 2 × 10 18 cm −3 , and a thickness of A 5 nm i-type Al 0.25 Ga 0.75 N protective layer 45 is sequentially deposited.
[0006]
Next, after depositing a SiN film 46 having a thickness of 20 nm on the entire surface by CVD, an opening is provided in the gate formation region to form a gate electrode 47 made of Ni / Au, and a source / drain contact region The basic structure of the GaN-based HEMT is completed by forming the source electrode 48 and the drain electrode 49 made of Ti / Au by providing openings.
[0007]
See FIG. 7 (b) Figure 7 (b) is a band diagram of the GaN-based described above, the GaN-based semiconductor such as GaN or AlGaN is polarized in the c-axis direction, i-type GaN electron transit layer 42 / by piezoelectric effect due to lattice mismatch in i-type Al 0.25 Ga 0.75 N layer 43 side of the interface of the i-type Al 0.25 Ga 0.75 N layer 43, for example, 1 × 10 13 cm -2 Positive polarization charge appears, so that the i-type GaN electron transit layer 42 is about 1 × 10 13 cm − in the vicinity of the interface of the i-type GaN electron transit layer 42 / i-type Al 0.25 Ga 0.75 N layer 43. Two electrons are induced to form the two-dimensional electron gas layer 50.
[0008]
The electron mobility of the two-dimensional electron gas layer 50 in such an i-type GaN electron transit layer 42 is about 1000 to 1500, but the concentration of the two-dimensional electron gas is about 1 × 10 13 cm −2, which is GaAs-based two-dimensional. Since it is one digit or more larger than the concentration of the three-dimensional electron gas, it is possible to obtain current drive characteristics comparable to those of a GaAs HEMT and to obtain high breakdown voltage characteristics because of the wide forbidden band width.
Incidentally, a value exceeding 200 V has been reported as a withstand voltage when the current is turned off.
[0009]
Further, by providing the i-type Al 0.25 Ga 0.75 N protective layer 45, the tunnel current to the gate electrode can be reduced and the breakdown voltage can be improved even a little.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional GaN-based HEMT, the withstand voltage when the current is turned on is about 20 V, and there is a problem that high voltage operation cannot be performed. Unlike GaAs-based FETs, it is thought that this is caused by surface problems rather than ionization collisions.
[0011]
In other words, since the GaN-based semiconductor has a wide forbidden band, breakdown at the time of on-state due to ionization collision is essentially difficult to occur, and even in view of the behavior of the actually measured IV characteristic, It is not considered.
[0012]
In addition, in such a GaN-based HEMT, there is a problem that a large hysteresis is observed in the IV characteristics under a high gate voltage operation, and the mutual conductance g m in the high frequency region is reduced, so that current driving cannot be performed. The situation will be described with reference to FIG.
[0013]
Reference to FIG. 8A FIG. 8A is an IV characteristic diagram when the gate width W g is set to W g = 40 μm and the SiN film is removed in the GaN-based HEMT having the above-described structure. A large hysteresis is seen in the IV characteristic under the gate voltage operation.
[0014]
Reference to FIG. 8B FIG. 8B is an IV characteristic diagram when the gate width W g is set to W g = 40 μm in the GaN-based HEMT shown in FIG. It is understood that a large hysteresis is observed in the IV characteristics under operation, and no special improvement can be obtained with respect to the hysteresis even if the SiN film is provided.
[0015]
This is thought to be because negative piezoelectric charges appearing on the surface side of the i-type Al 0.25 Ga 0.75 N protective layer 45 affect the IV characteristics. By providing the SiN film, the negative piezoelectric charges are reduced to the surface side. Although the characteristics are somewhat improved by being driven from the inside to the inside, it still becomes a problem.
The situation is the same even if a SiO 2 film is provided as a surface protective film instead of the SiN film.
[0016]
Accordingly, an object of the present invention is to increase the on-breakdown voltage of a GaN-based compound semiconductor device and improve the IV characteristics.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
FIG. 1 is an explanatory diagram of the principle configuration of the present invention. Means for solving the problems in the present invention will be described with reference to FIG.
Referring to FIG. 1, in order to achieve the above-described object, in the present invention, a GaN carrier traveling layer 2 and Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1) formed on the carrier traveling layer 2 are formed. A carrier supply layer 3; a GaN-based protective layer 4 of GaN having the same conductivity type as that of the traveling carrier formed on the carrier supply layer 3; and a gate electrode 6 formed on the GaN-based protective layer 4. And a source / drain electrode 7 .
[0018]
Thus, by disposing the GaN-based protective layer 4 on the carrier supply layer 3, the band can be lifted by piezoelectric charges to reduce the tunnel current and improve the Schottky characteristics, and the GaN-based protective layer 4. By making the same conductivity as the traveling carrier, it is possible to reduce the interface potential lifted by the piezo charge and improve the conduction performance, cancel the holes induced in the vicinity of the interface, and screen. The influence of the surface trap caused by Al can be eliminated, whereby stable IV characteristics can be obtained.
The definition of screening in this case is that even if the GaN-based protective layer 4 is used, the maximum current density in the case of the AlGaN / GaN-FET structure when the GaN-based protective layer 4 is not used is 100. This means that the maximum current density can be obtained.
[0019]
In particular, by providing the SiN film 5, holes induced in the vicinity of the interface can be further driven to the inside, thereby preventing the occurrence of hysteresis characteristics and the interface lifted by the piezoelectric charge. Since the potential can be lowered, and the Fermi level is relatively raised, the current density can be increased.
Further, by making the GaN-based protective layer 4 the same conductivity type as the traveling carrier, the ohmic property of the source / drain electrode 7 can be enhanced.
[0020]
In this case, the substrate 1 may be a sapphire substrate, a GaN substrate, or a SiC substrate.
[0021]
In this case, career transit layer 2, or to at least one of GaN based protective layer 4 is intended may be added In, forbidden band width smaller by the addition of In is the carrier mobility Rise.
[0022]
The layer thickness of the GaN-based protective layer 4 is desirably 10 nm or less, which can increase the generation of leakage current flowing through the GaN-based protective layer 4 and the breakdown voltage of the Schottky electrode.
[0023]
Further, it is desirable that the doping concentration of the GaN-based protective layer 4 is 1 × 10 17 cm −2 or more, so that screening induced by canceling holes induced in the vicinity of the interface can be performed.
[0024]
In this case, in order to screen as the sheet density, it is sufficient that the sheet density is 20 to 80% of the piezoelectric charge generated at the interface with the carrier supply layer 3. If the sheet density is too low, the screening effect cannot be obtained. On the other hand, if the sheet concentration is too high, the reverse breakdown voltage BV gd decreases, and the desired high breakdown voltage characteristics cannot be obtained.
[0025]
In order to obtain such a sheet concentration, it is only necessary to dope an atomic layer doping with a conductivity determining impurity on the interface side with the carrier supply layer 3, and in the case of n-type, any one of Si, S, and Se is used. Use it.
[0026]
Further, the GaN-based protective layer 4 may have a two-layer structure of a layer having the same conductivity type as that of the traveling carrier and an undoped layer, whereby the outermost surface can be an undoped layer, and thus the IV characteristics. Can be further stabilized.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Here, the GaN-based HEMT according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
2A. First, an i-type GaN electron transit layer 12 having a thickness of, for example, 3 μm is formed on a sapphire substrate 11 having a C-plane as a main surface by using an ordinary MOCVD method. A 2 nm i-type Al 0.25 Ga 0.75 N layer 13, an n-type Al 0.25 Ga 0.75 N electron supply layer 14 having a thickness of, for example, 25 nm and a Si doping concentration of, for example, 2 × 10 18 cm −3 , and The n-type GaN protective layer 15 having a thickness of 10 nm or less, for example, 5 nm, and a Si doping concentration of, for example, 2 × 10 18 cm −3 is sequentially deposited.
[0029]
Next, after depositing a SiN film 16 having a thickness of 20 nm on the entire surface by CVD, an opening is provided in the gate formation region to form a gate electrode 17 made of Ni / Au, and a source / drain contact region The basic structure of the GaN-based HEMT is completed by forming the source electrode 18 and the drain electrode 19 made of Ti / Au by providing openings.
In this case, when the thickness of the n-type GaN protective layer 15 exceeds 10 nm, a leak current is generated, and the gate electrode 17 that is a Schottky electrode has no breakdown voltage.
In the figure, the single HEMT is described. However, in the case of integration, element isolation may be performed by ion implantation or mesa etching.
[0030]
FIG. 2B is a band diagram of the above-described GaN-based HEMT. In a GaN-based semiconductor such as GaN or AlGaN, the i-type GaN electron transit layer 12 is polarized in the c-axis direction. For example, a positive polarization charge of 1 × 10 13 cm −2 appears on the i-type Al 0.25 Ga 0.75 N layer 13 side of the interface of the / i-type Al 0.25 Ga 0.75 N layer 13 due to the piezoelectric effect caused by lattice mismatch. Therefore, electrons of about 1 × 10 13 cm −2 are induced in the vicinity of the interface between the i-type GaN electron transit layer 12 and the i-type Al 0.25 Ga 0.75 N layer 13, thereby forming the two-dimensional electron gas layer 20.
[0031]
FIG. 3A is an IV characteristic diagram when the gate width W g is set to W g = 40 μm. The i-type Al 0.25 Ga 0.75 N protective layer in the conventional GaN-based HEMT is shown in FIG. As a result of replacement with the n-type GaN protective layer, it was confirmed that good characteristics were obtained.
[0032]
As a result of using an n-type GaN layer as a protective layer, as shown in FIG.
(1) A hole 21 induced at the interface between the n-type GaN protective layer 15 and the n-type Al 0.25 Ga 0.75 N electron supply layer 14 is screened by electrons in the n-type layer, and this hole 21 affects the device characteristics. To avoid giving
(2) Since the ohmic properties of the source electrode 18 and the drain electrode 19 are improved,
(3) Since the surface is a GaN layer, the influence of surface traps caused by Al is eliminated.
(4) Since the surface is a GaN layer, etching resistance is higher than that of AlGaN, so that processing damage is less likely to be introduced into the surface.
it is conceivable that.
[0033]
In addition, when the band edge of the conduction band of the n-type Al 0.25 Ga 0.75 N electron supply layer 14 is lifted, the Fermi level is relatively lowered, thereby reducing the concentration of the two-dimensional electron gas and energizing. However, instead, the effect of preventing the mutual conductance g m from being lowered in the high frequency region is also obtained.
[0034]
Reference to FIG. 3B FIG. 3B shows an IV characteristic diagram in the case where the SiN film 16 is not provided in the first embodiment of the present invention, and V gd is 4 The characteristic curves when applied in stages are shown together.
As is apparent from the figure, it can be understood that the characteristic curves at the same gate voltage, which should be overlapped with each other, shift as the gate voltage increases, and a stable IV characteristic cannot be obtained.
[0035]
Reference to FIG. 4A FIG. 4A shows the characteristics of the reverse breakdown voltage BV gd when the doping concentration of the n-type GaN protective layer 15 in the first embodiment of the present invention is increased to 10 19 cm −3. In the figure, it was confirmed that the reverse breakdown voltage BV gd decreased to 1 V or less.
In this case, the Schottky barrier diode characteristics between the gate and the drain are considered.
[0036]
Reference to FIG. 4B FIG. 4B is a band diagram when the doping concentration of the n-type GaN protective layer is 10 19 cm −3 , compared with the case of 5 × 10 18 cm −3. This is probably because the interface potential between the n-type GaN protective layer 15 and the n-type Al 0.25 Ga 0.75 N electron supply layer 14 was lowered, and the Schottky characteristics were lowered.
[0037]
Therefore, in order to obtain a high breakdown voltage, it is only necessary to completely screen holes generated at the interface due to the piezoelectric field, and the n-type GaN protective layer 15 is compensated so as to compensate 20 to 80% of the piezoelectric charge. It is necessary to set a doping amount of 50 V, and thereby, a forward breakdown voltage of 50 V and a reverse breakdown voltage of 200 V can be realized.
[0038]
Next, a GaN-based HEMT according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 5 is a schematic sectional view of a GaN-based HEMT according to the second embodiment of the present invention. An i-type GaN protective layer having a thickness of, for example, 5 nm is formed on the n-type GaN protective layer 15. Except that 31 is provided, it is exactly the same as the first embodiment.
[0039]
In this way, in the second embodiment of the present invention, the conductive region that affects the operation characteristics of the device is kept away from the outermost surface, so that the adverse effect caused by the surface state can be further reduced. As a result, the breakdown voltage can be further increased.
[0040]
Next, a GaN-based HEMT according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
6 is a schematic cross-sectional view of a GaN-based HEMT according to a third embodiment of the present invention. First, a normal MOCVD method is used on a sapphire substrate 11 having a C-plane as a main surface. The i-type GaN electron transit layer 12 having a thickness of, for example, 3 μm, the i-type Al 0.25 Ga 0.75 N layer 13 having a thickness of, for example, 2 nm, the thickness of, for example, 25 nm, and the Si doping concentration, for example, 2 × 10 18 cm −3 n-type Al 0.25 Ga 0.75 N electron supply layer 14, n-type AlN layer 32 having a thickness of, for example, 2 nm and a Si doping concentration of, for example, 1 × 10 19 cm −3 Then, the n-type GaN protective layer 15 having a thickness of 10 nm or less, for example, 5 nm, and a Si doping concentration of, for example, 2 × 10 18 cm −3 is sequentially deposited.
[0041]
Next, after the n-type GaN protective layer 15 in the gate forming region is isotropically etched, the n-type AlN layer 32 is selectively etched to form a gate recess portion, and then the entire surface is thickened by CVD. After the SiN film 16 having a thickness of 20 nm is deposited, an opening is provided in the gate formation region to form the gate electrode 17 made of Ni / Au, and an opening is provided in the source / drain contact region to make the Ti / Au. By forming the source electrode 18 and the drain electrode 19, the basic structure of the GaN-based HEMT is completed.
In this case, the n-type AlN layer 32 functions as a selective etching removal layer when forming the gate recess portion.
[0042]
In the third embodiment of the present invention, since the gate recess structure is adopted, no leakage current is generated through the n-type GaN protective layer 15, thereby further increasing the breakdown voltage. become.
[0043]
While the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the configurations and conditions described in the embodiments, and various modifications can be made.
For example, in the above embodiment, a uniformly doped n-type GaN layer is used as the protective layer, but n-type impurities such as Si, Se, and S may be planarly doped (atomic layer doping). For example, the sheet doping concentration of 5 nm before and after the interface may be about 3.5 × 10 12 cm −2 .
[0045]
In the third embodiment, the AlN layer is used as the etching stopper layer. However, the AlN layer is not limited to the AlN layer, and the Al composition is higher than the Al x Ga 1-x N layer serving as the electron supply layer. An Al z Ga 1 -z N layer having a large ratio z and z> x may be used.
[0046]
In each of the above embodiments, the electron supply layer is composed of an Al 0.25 Ga 0.75 N layer, but the Al composition ratio x in this case is not limited to x = 0.25, and x = It is desirable to use a range of 0.10 to 0.40.
[0047]
In each of the above embodiments, the electron supply layer is formed of an n-type AlGaN layer. However, the electron supply layer does not necessarily have to be a doping layer. In a GaN-based HEMT, piezoelectric generated by polarization due to the crystal structure Since the two-dimensional electron gas is induced by the electric charge, an undoped layer may be used.
[0048]
Further, in each of the above embodiments, the electron transit layer is composed of a GaN layer, the electron supply layer is composed of an AlGaN layer, and the protective layer is composed of a GaN layer, but is not limited to such a configuration, In may be added to at least one of the electron transit layer, the electron supply layer, and the protective layer.
[0049]
For example, when In is added to the electron transit layer to make InGaN, the electron mobility becomes high, and when In is added to the protective layer to make InGaN, the forbidden band width becomes small. The interface potential of the protective layer / electron supply layer can be lowered as compared with the case of the GaN layer.
[0050]
In each of the above embodiments, sapphire is used as the substrate. However, the substrate is not limited to sapphire, and a SiC substrate or a GaN substrate may be used. Since it is excellent in thermal conductivity, it is suitable for an amplifier for a base station of a mobile phone with high voltage operation.
[0051]
In each of the above-described embodiments, the n-channel HEMT is described. However, it is needless to say that the present invention can be applied to a p-channel HEMT. Just reverse it.
[0053]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to stabilize Runode, the the I-V characteristic with doped GaN as a protective layer provided on the Al x Ga 1-x N carrier supply layer.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a basic configuration of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a GaN-based HEMT according to the first embodiment of this invention.
FIG. 3 is an IV characteristic diagram of the GaN-based HEMT according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a reverse breakdown voltage BV gd of the GaN-based HEMT according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a GaN-based HEMT according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a GaN-based HEMT according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an explanatory diagram of a conventional GaN-based HEMT.
FIG. 8 is an IV characteristic diagram of a conventional GaN-based HEMT.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Carrier travel layer 3 Carrier supply layer 4 GaN-based protective layer 5 SiN film 6 Gate electrode 7 Source / drain electrode 11 Sapphire substrate 12 i-type GaN electron travel layer 13 i-type Al 0.25 Ga 0.75 N layer 14 n-type Al 0.25 Ga 0.75 N electron supply layer 15 n-type GaN protective layer 16 SiN film 17 gate electrode 18 source electrode 19 drain electrode 20 two-dimensional electron layer 21 hole 31 i-type GaN protective layer 32 n-type AlN layer 41 sapphire substrate 42 i-type GaN electrons Traveling layer 43 i-type Al 0.25 Ga 0.75 N layer 44 n-type Al 0.25 Ga 0.75 N electron supply layer 45 i-type Al 0.25 Ga 0.75 N protective layer 46 SiN film 47 gate electrode 48 source electrode 49 drain electrode 50 two-dimensional electron layer

Claims (7)

GaNのキャリア走行層と、
前記キャリア走行層上に形成されたAlGa1−xN(0<x≦1)のキャリア供給層と、
前記キャリア供給層上に形成された走行キャリアと同導電の第一導電型のGaNのGaN系保護層と
前記GaN系保護層上に形成されたゲート電極及びソース・ドレイン電極と
を備えたことを特徴とする化合物半導体装置。
A GaN carrier traveling layer;
A carrier supply layer of Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1) formed on the carrier travel layer;
A GaN-based protective layer of GaN having the same conductivity type as that of the traveling carrier formed on the carrier supply layer;
A compound semiconductor device comprising: a gate electrode and a source / drain electrode formed on the GaN-based protective layer .
前記ゲート電極及びソース・ドレイン電極間をSiN膜で被覆したことを特徴とする請求項に記載の化合物半導体装置。The compound semiconductor device according to claim 1 , wherein the gate electrode and the source / drain electrode are covered with a SiN film. 前記第一導電型は、n型であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の化合物半導体装置。It said first conductivity type, the compound semiconductor device according to claim 1 or claim 2, characterized in that an n-type. 前記GaN系保護層が、前記キャリア供給層と接する走行キャリアと同導電型の層と、前記走行キャリアと同導電型の層上に設けられたアンドープ層とを含むことを特徴とする請求項1乃至請求項のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。2. The GaN-based protective layer includes a layer having the same conductivity type as a traveling carrier in contact with the carrier supply layer, and an undoped layer provided on the layer having the same conductivity type as the traveling carrier. to a compound semiconductor device according to any one of claims 3. 前記アンドープ層は、i−GaN層であることを特徴とする請求項に記載の化合物半導体装置。The compound semiconductor device according to claim 4 , wherein the undoped layer is an i-GaN layer. 前記キャリア走行層或いはGaN系保護層の少なくとも一つに、Inを添加したことを特徴とする請求項1乃至請求項のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。At least one, the compound semiconductor device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the addition of In of the carrier transit layer or a GaN based protective layer. 前記GaN系保護層のドーピング濃度が、前記キャリア供給層との界面に発生するピエゾ電荷の20〜80%のシート濃度であることを特徴とする請求項1乃至請求項のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。Doping concentration of the GaN-based protective layer, in any one of claims 1 to 6, characterized in that 20 to 80% of the sheet concentration of piezoelectric charges generated at the interface between the carrier supply layer The compound semiconductor device described.
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